雖然大部分的行動電話持有者都只是用它來打打電話和發送簡訊，但也有愈來愈多的人開始使用頻寬需求很大的應用，如網頁瀏覽、音樂下載和串流視訊。目前，無線數據用量暴增的部分原因是蘋果(Apple)推出iPhone刺激所致，儘管其他所謂具有類似功能的智慧型手機問世已經有些年了，但蘋果的廣告訴求的卻是不同的觀點--它是一家電腦公司展示它的「完整產品」，而不是一家手機製造商在促銷新產品，有別於其他產品的單一功能，如更好的音樂播放器或解析度更高的相機，這一點讓使用者趨之若鶩，也帶動了所有網路業者的數據加值服務的營收往上攀升，而不只是獨厚銷售iPhone的業者。除此之外，電信業者也對行動廣告(Mobile Advertising)所創造的額外業績寄予厚望，預估接下來幾年，將成長到數十億美元的規模，這些都須要仰賴更高頻寬的服務才能實現。
本文將特別從測試設備供應商的角度，探討從晶片組供應商到網路營運業者等無線通訊產業所面臨的一些問題和挑戰。為了服務這些需求，也為了讓速度能夠媲美使用者在家用個人電腦(PC)上透過寬頻連線，如非對稱數位用戶線路(ADSL)或纜線數據機(Cable Modem)所達到的速度，行動網路業者一直不斷投資將技術升級，以保持競爭力。
LTE技術發展分進合擊
長期演進計畫(LTE)技術是第三代行動通訊組織(3GPP)針對無線通訊傳輸介面所制訂的一項新標準的名稱，目的是要讓3GPP的第三代系統朝向全IP的網路發展，以提供最佳的高速資料傳輸效能。
在發展空中介面(Air Interface)的同時，LTE也密切結合同步開發的系統架構演進(System Architecture Evolution, SAE)技術，制訂出更簡化的系統架構和演化的封包核心(Evolved Packet Core, EPC)網路。這兩項技術加起來所提供的架構可以提高傳輸容量、提升頻譜使用效率、改善基地台涵蓋半徑之邊緣地帶(Cell-edge)的效能，以及縮短即時服務(如視訊電話)的延遲時間，其目標是要讓每20MHz的頻譜，提供100Mbit/s的下載速度和50Mbit/s的上傳速度，且希望能透過多重天線的配置方式，支援更高的傳輸速率，如下行鏈路能達到326.4Mbit/s的速度。
LTE的下鏈和上鏈傳輸並不想進一步發展目前第三代通用行動電信系統(UMTS)蜂巢式系統所使用的高速封包存取(HSPA)技術和寬頻分碼多重存取(WCDMA)調變方法，而是另行採用新的空中介面。
更確切來說，下鏈傳輸採行正交分頻多工(OFDM)的變化型態，亦即正交分頻多重存取(OFDMA)技術，上鏈傳輸則採行單載波分頻多重存取(SC-FDMA)技術。
LTE的規格沿用UMTS訂定的所有頻段，這些頻段的數目還在持續增加當中，目前共有十一個分頻雙工(Frequency Division Duplex, FDD)頻段，涵蓋的頻率從824M～2,690MHz，以及八個分時雙工(Time Division Duplex, TDD)頻段，涵蓋1,900M～2,620MHz的頻率。有些頻段的重疊性很高，但卻不必然可以簡化設計，因為根據區域的需求，不同頻段可能會有不同的效能要求。
LTE會先從哪個頻段開始布建尚未達成共識，因為答案相當程度取決於區域的變數。缺乏共識對設備製造商來說是一大難題，且與全球行動通訊系統(GSM)和WCDMA開始時的情況相反，兩者最初的規畫都只有使用一個頻段。
OFDM鹹魚翻身
早在1998年，OFDM就已經應用在非蜂巢式的通訊技術中，當時，3GPP也曾經考慮使用OFDM做為3G UMTS的傳輸方法，但最後認為這項技術不合適，部分原因是它須要進行大量的基頻處理。
發展至今，數位訊號處理的成本已經大幅降低，因此，又重新被視為商業上的可行方法，可以應用於手機的無線傳輸。OFDM並非以單一載波來傳送高速的資料流，而是利用大量間隔很緊密的正交次載波來同時進行傳送。每個次載波都是以低的符號碼速率(Symbol Rate)，使用傳統的調變方法如QPSK、16QAM或64QAM進行調變。結合數百個或數千個次載波可以進行高資料速率的傳輸，且相較於傳統容量相當的單載波調變方法，可以大幅降低符號碼間的干擾(ISI)。
高干擾耐受度 MIMO受重用
除了採用新的空中介面之外，LTE的規格也要求使用多重天線技術，不僅大幅增加了系統的複雜度，且其設計也須充分利用無線傳輸通道的空間分集性(Spatial Diversity)。這些技術一般籠統稱為「MIMO」，也就是多重輸入多重輸出(Multiple Input Multiple Output)的天線架構，對於提高訊號抗環境干擾的耐受度，以及達到系統傳輸容量與單一用戶及最高峰值資料速率的目標極為重要。
MIMO的基本形式會將不同的資料流分派給每一支發射天線進行發射(圖1)。兩組傳輸資料會在通道中混在一起傳送，因此在接收端，每支天線都會收到每個資料流的某些組合。需要夠聰明的接收器將接收到的訊號解碼，藉由分析訊號衰減的型態(Fading Pattern)，辨認出訊號是來自哪個發射器，並判斷所出現的是哪一種組合。之後，再應用反向濾波器(Inverse Filter)進行處理，並且將接收到的資料流合起來，就可以還原出原始的資料了。
 |
| 圖1 MIMO將不同的資料流分派給每一支天線來發射。 |
MIMO理論上的優點對系統效能的極限是一大挑戰，且會取決於發射和接收天線的數量、無線傳播的環境條件、發射器適應變動環境的能力以及基本的訊噪比(SNR)等因素。更複雜的是，天線必須支援LTE的多個頻段。
由於LTE的規格支援的射頻通道頻寬高達20MHz(今日的最大頻寬為5MHz)，因此，須要在射頻的設計上做一些基本的改變。新的整合式設計的基地台依循的是通用公共射頻介面(Common Public Radio Interface, CPRI)和開放式基地台架構創始聯盟(Open Base Station Architecture Initiative, OBSAI)標準，終端設備依循的則是數位射頻(Digital Radio Frequency, DigRF)和MIPI D-PHY標準(MIPI為「行動產業處理器介面」的簡稱)，移除或隱藏了傳統的測試介面。
過去只須處理一個技術領域的工作人員，現在都得學習新的方法來量測裝置的特性。以發射器模組為例，能提供的只有數位訊號輸入和RF的訊號輸出，而且數位方面的預校正(Pre-correction)能力的好壞會影響RF效能。專為解決這些新興的跨域量測需求所設計的產品和解決方案必須支援新的方法，才有辦法測試混合了類比/數位訊號的射頻系統，而且還要有可以與真實的模組相互整合的模擬工具，才能夠加快整體的系統測試速度。
除了鎖定的產品如安捷倫(Agilent)的N5340A/41A(OBSAI)和N5343A/44A (DigRFV4)測試儀之外，還須要包括傳統的碼型產生器、邏輯分析儀、訊號產生器及訊號分析儀等工具。然而，新的量測方法更須結合這些工具，並以新的方式解讀結果。
組合繁複多樣 測試挑戰不小
由於發射-接收通道的組合相當多，因此，在真實的訊號衰減環境下測試MIMO接收器和系統出現新的挑戰。
舉例來說，在2×2 MIMO的配置下，分別使用兩個通道模擬器並不足以模擬兩組發射和接收天線間形成的四個獨立通道，但是在「真實」的無線通訊環境中進行測試又不是很有效的方法，因為通道既敏感、無法控制、又不能夠重複。專用的儀器可以模擬真實的MIMO通道，是克服這些挑戰性高的測試環境的最佳解決方案。圖2是測試2×2 MIMO接收器的幾種可行的設備設置方式之一。透過軟體的圖形操作介面(GUI)，可以使用內建的基頻訊號產生器和通道衰減器，產生符合標準的波形，如全球微波存取互通介面(WiMAX)、LTE和無線區域網路(WLAN)訊號。每個衰減器都可以使用各種路徑和衰減條件，單獨設定成符合標準或自訂的訊號衰減模型。
 |
| 圖2 簡化過的功能區塊圖，可用以測試2×2 MIMO接收器。 |
如同原本的WCDMA和現在的HSPA一樣，LTE晶片組的整合度也很高，支援的資料速率和功能遠超過網路剛推出時單一用戶所能實際使用到的速率和功能。其設計必須盡可能延長使用期限，讓製造商有更長的時間可以回收巨額的投資成本。
因此，開發人員必須要能確認晶片組在最高的設計規格下，依然能正確地運作，而他們今天所需要的測試設備也必須具備這樣的效能水準，就LTE而言，包括單一用戶的資料速率須達14.4Mbit/s，MIMO的功能也要超越上行鏈路和下行鏈路的基本規格。
負責定義新一代蜂巢式通訊系統之量測方法的工作小組有了全球領先的測試設備公司的參與，可以繼續確保在設計時測試所需的功能就包含進去，也可以讓互通性(Interoperability)、符合性(Conformance)及生產測試變得更容易、更快速。
LTE今年發光發熱
今天，LTE的標準制訂工作已大致完成，早期的開發工作也已經展開，預計約在今年，可以商業運轉的網路就會推出。這個目標訂得相當積極，現在比較多的重點都擺在讓互通性和符合性測試規格盡快拍板定案，以確保製造商能生產出符合要求的網路和終端設備。LTE的新聯盟--LTE/SAE Trial Initiative(LSTI)的成立目標就是要加速推出可相容互通的新一代LTE行動寬頻系統，此一全球性的聯盟組織目前共獲得超過十七家公司的積極參與，期能透過合作性的技術試驗和概念驗證，順利地推出端對端的LTE解決方案，包括基礎設備、裝置和晶片組等。
針對LTE原型系統所做的最新實驗和初期的實地測試，已經證實最初階裝置的下載速度可以超過100Mbit/s，而使用4×4 MIMO天線的高效能系統更可以將速度推升到300Mbit/s以上。LSTI的成員也已經展示大幅改善網路反應時間的成果，這對於提供「隨時連線」(Always On)的使用經驗以及無法接受傳輸延遲的應用(如互動式線上遊戲和行動電視)來說，極為重要。
LTE系統發展的下一步將進行初期的裝置互通性測試、網路互通性測試，以及更完整廣泛的效能測試。透過符合性測試，可以確保設備達到LTE標準制訂的基準，但這些測試與個別用戶感受到的真實效能之間有何關聯，仍有待觀察。
大規模布建商業化的LTE網路還需要幾年的時間，因此，可能還有一些時間去完全了解新系統的運轉特性。在這期間，測試設備供應商的職責所在就是要將新的跨域測試量測能力，再加上諸如MIMO預編碼(Precoding)的訊號產生，以及先進的模擬、量測和分析等新的功能加入測試設備中，以加快LTE產品的開發速度，推動產業往前邁進。
(本文作者為安捷倫科技訊號源事業部副總裁暨總經理)